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1、 目录目录1 1 绪论绪论 .11.1 模糊控制的发展.11.2 模糊控制的特点.11.3 模糊控制和 PID 控制的结合 .21.4 模糊 PID 控制技术概况 .21.4.1 模糊 PID 控制的蓬勃发展 .21.4.2 模糊 PID 控制蓬勃发展的诸多因素 .31.5 整体介绍 .32 2 基本模糊控制器的设计基本模糊控制器的设计 .42.1 模糊控制的工作原理 .42.1.1 模糊控制系统的组成 .42.1.2 模糊控制系统的基本工作原理 .42.2 模糊控制器设计.52.2.1 模糊控制器设计要求 .52.2.2 模糊控制器的结构设计 .62.2.3 模糊规则的选择和模糊推理 .72
2、.2.4 解模糊 .73 3 模糊模糊 PIDPID 控制器控制器 .83.1 隶属度函数 .93.2 模糊 PID 参数模糊调整规则.123.2.1 PID 控制器参数自整定原则.123.2.2 PID 参数的自整定要求 .123.3 建立模糊规则表.133.4 模糊控制器与 SIMULINK 的连接 .153.5 模糊 PID 的 MATLAB 仿真 .163.5.1 S 函数简介 .163.5.2 建立系统结构仿真框图 .174 4 设计总结设计总结 .21参考文献参考文献 .22致谢致谢 .23- 1 -1 绪论绪论1.11.1 模糊控制的发展模糊控制的发展随着计算机技术的应用和发展，
3、自动控制理论和技术取得了飞跃发展，以状态变量为基础的现代控制理论对于解决线性或非线性、定常或时变的多输入与多输出体统的控制问题，获得了广泛、成功的应用。但是，无论采用经典控制理论还是现代控制理论设计的控制系统，都需要先知道被控对象精确的数学模型，然后根据数学模型和给定的性能指标，选择适当的控制规律，进行控制系统设计。然而在很多情况下，被控对象的精确的数学模型很难建立，这样一来，对于这类控制对象或过程就很难自动控制1。1965 年美国著名控制学者 L.A.Zadeh 发表开创性论文，提出了模糊集合理论，此后，模糊控制便发展起来，模糊控制开始走进了人们的视野。从首次提出模糊集合理论到1986 年世
4、界第一块基于模糊逻辑的人工智能芯片在著名的贝尔实验室研制出来，期间只经历了短短的二十年2。仅这一事实本身就说明了模糊控制系统理论这门新兴的学科具有强劲的生命力和十分令人鼓舞的应用前景。1964 年 zadeh 教授提出模糊数学和模糊控制的概念，其后 20 多年的时间里糊理论得到了飞速的发展。模糊控制器是模糊控制理论的一个重要分支，也是一个模糊控制系统的核心。自从 1974 年第一台模糊控制器诞生以来，人们对模糊控制器的研究投人了极大的热情，在许多领域获得了成功的应用，同时模糊控制器集成硬件也已出现(如日本富士电机公司的 FRuITAx；英国 Imge Automation 公司的 LINKla
5、Il 等)12。1.21.2 模糊控制的特点模糊控制的特点模糊控制语言是表示人类思维活动以及复杂事物及其有效的手段，对于有些传统控制解决不了的问题，应用模糊控制，问题就往往能迎刃而解。模糊控制具有如下特点：（1）不需要精确的数学模型。模糊控制的出发点是现场人员的操作经验，是一种近似的推理，能够根据模糊规则推导出符合逻辑的控制结论，不需要系统精确的数学模型。（2）结构简单 无论是软件还是硬件，实现起来都比较方便。（3）鲁棒性强 模糊控制是采用的是一种连续多值逻辑，所以当参数发生变化时，能够给出稳定的控制，适合时变、非线性及滞后系统。（4）适应性强 无论是对确定的控制对象，还是对于时变、滞后和非线
6、性系统，都能够有很好的控制作用1。 - 2 -1.31.3 模糊控制和模糊控制和 PIDPID 控制的结合控制的结合模糊控制器虽然能对复杂和难以建模的过程进行进行简单而有效的控制，但是由于不具有积分环节，因而很难消除静态误差，尤其在变量分级不够多的情况下，常常在平衡点附近产生小幅振荡。为了改善模糊控制器的稳态性能，提出了模糊控制与 PID 控制结合的技术，运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊级表示，并把这些模糊控制规则以及有关信息（如评价指标、初始 PID 参数等）作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，即可实现对PID 参数的最佳调整
7、2。将模糊控制和 PID 控制两者结合起来，即具有模糊控制灵活而且适应性强的优点，又具有 PID 控制器精度高的特点。这种 FUZZY-PID 复合型控制器，对复杂控制系统和高精度伺服务系统具有良好的控制效果，这也是近年来十分热门的研究课题。在本文中我们将简单的阐述一下模糊控制理论及模糊控制器的设计、模糊 PID 控制器的基本形式以及模糊 PID 控制器的设计，并对传统的 PID 与模糊 PID 控制效果进行比较。通过对模糊 PID 控制器的研究，我们希望有更多的人员加入到这个新兴领域的探索，有更多的创新思维能够迸发出来，我们坚信这是一条光明的道路，一定会促使人类的技术不断的改善和发展。1.4
8、1.4 模糊模糊 PIDPID 控制技术概况控制技术概况1.4.1 模糊 PID 控制的蓬勃发展近年来，模糊 PID 控制技术发展迅速，特别是在过程控制、航天、计算机等领域，扮演着越来越重要的角色。（1）在船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪、自动车床、天线位置控制导弹和飞船的制导等领域中，常常是一个实时变化的环境，导致系统参数可能会根据环境变化。传统的固定控制参数的控制策略没有办法满足这样的需求，而模糊自适应控制却恰好弥补这一缺陷。同时模糊自适应控制还很好地解决了伺服系统本身自带的由于惯量引起的误差。软硬件结合真正满足了系统的快，准，稳。为军事上各种雷达天线的设计提供了参考3。（2）在温度系统、
9、液位系统中的应用 在这类控制系统中，控制对象具有时滞、大惯性特性，并且在工业现场中存在大量的干扰源，会导致输出不能及时跟踪设定值、反应扰动，控制不当会使系统快速性、稳定性收到很大影响，很容易被控制量的超调和振荡；而且随着时间的推移，设备会逐渐老化，也会造成系统参数的变化3。模糊控制的出现给这类控制系统带来了新的希望，模糊 PID 控制在这类控制中显示出了得天独厚- 3 -的控制效果。目前，它在燃油退火炉温度控制系统、锅炉温度控制系统、玻璃加工系统、水位控制系统、冷冻干燥机系统、火电厂温度控制系统等等各种控制系统中有了广泛的应用，并且为工业控制领域带来了巨大的经济效益，我们可以相信模糊 PID
10、的路会越走越远。（3）模糊控制在机器人领域的应用 日本在 20 世纪 60 年代和美国都在开始进行机器人的研究，在短短的时间内，取得了飞速的发展。在工业机器人中，它包括点焊、弧焊、喷漆、搬运、码垛，在工业现场中工作的这种机器人，在工作场所里按预定路线运送物料、焊接机器人的焊缝跟踪、自主移动机器人的道路跟随控制过程中，常常存在各种干扰11,14。目前，模糊 PID 控制逐渐走进机器人的世界，能够是机器人运动轨迹更加精确，它对周边的环境进行识别，来判断它的运动，按照人们的意愿完成工作，中国已经投入几个亿来进行机器人的研究，机器人技术必将迅猛发展，可以肯定的是它亦将带动模糊 PID 技术快速前进，模
11、糊 PID 必将有一个美好的未来。1.4.2 模糊 PID 控制蓬勃发展的诸多因素模糊 PID 控制的蓬勃发展是由多种原因促成的，而其今后发展与走向，也同样是多种因素共同作用的结果。首先，模糊 PID 控制自身的优点。模糊 PID 控制具有原理简单易懂，使用方便，稳定性和鲁棒性较好，并且对强非线性、时变和机理复杂、被控对象难以建模等过程能进行很好的控制，因此模糊 PID 控制具有广泛的应用。其次，工业过程控制、航空航天等领域，都需要应用到控制系统，而模糊 PID 的优良控制性能恰好能满足其需要，国家在发展，社会在进步，其对相应技术也必将蓬勃发展起来。第三 随着科学技术的不断发展，控制系统的性能越来越受到人们的重视。应用领域的迅速扩大，对模糊 P
